CN112008080B - 一种铺粉式3d打印铜合金水冷套的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，涉及水冷加工技术领域，包括以下步骤：S1铜粉的制备；S2：水冷套的原材料配料和混合烘干；S3：采用3D打印技术对水冷套进行3D打印；S4：采用线切割技术对水冷套毛坯进行脱膜；S5：通过机加工对水冷套进行表面加工；S6：通过时效处理消除内应力，淬火提高零件表面的硬度，S7：对水冷套表面喷砂提高散热面积，同时起到防止水冷套氧化的作用，本发明所得到的水冷套导热率系数达到410Wm‑1K‑1，并且还具有高强度、高硬度的特点，不易产生形变和氧化，使用寿命长。

Description

一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法
技术领域
本发明涉及水冷加工技术领域，具体是涉及一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法。
背景技术
水冷装置是为了机器以及设备散热，传统的散热方式依靠空气自然流通散热，或者采用风扇散热，然而随着电子行业的发展，一些精小的精密元件散热成了问题，热量比较集中，局部温度过高，因此传统的散热方式逐渐不能满足市场需求。
水冷装置逐渐出现代替传统风扇散热，例如电脑机箱，以及服务器机箱，一些发热电子设备，越来越多的采用水冷的方式对设备降温，但是各设备的不同，对水冷套件要求不同，传统的加工方式工艺太过复杂，因此加工成本较高，不能满足水冷套这个复杂多样的市场需要，因此需要一种可以加工复杂水冷套的方法，既能对不同水冷套进行加工，又能简化加工步骤，提高加工产量，降低加工成本，提高水冷套的零件性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法。
本发明的技术方案是：一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，其包括以下步骤：
S1：铜粉的制备：粗铜作为阳极，精铜作为阴极，放入酸性溶液中，电解时电流密度为900-1000A/m2，阴极板一侧设有转动刷，转动刷采用伺服电机驱动，每30秒刷一次，每次刷子转动两周，阴极板采用伺服电机进行转动，每30秒转动半周，阴极板转动动作提前转动刷转动动作10秒，阴极板和转动刷转动角速度为0.5r/m，阴极板与阳极板之间的间距为15-20cm，电解液温度保持在55-60℃，将转动刷刷下的铜粉经过100目标准筛过滤，然后放入烘干机内进行烘干，烘干时通入氩气作为保护气体；
S2：配料：将烘干后的电解铜粉与气雾化银粉和气雾化铬粉混合，其中电解铜粉质量百分比为98wt%，气雾化银粉的百分比为0.9wt%，气雾化铬粉百分比为1.1wt%，将混合后的混合粉加入到电磁搅拌装置中进行搅拌混合，搅拌时加入氩气作为保护气体，搅拌装置内进行抽真空，真空度为1-6Pa，混合后得到混合粉；
S3：打印:将绘制好的3D模型图导入到3D打印机中，放置好底板基材后，进行抽真空，真空度1-5Pa，然后通入氩气作为保护气体，氩气通入后真空度达到0.9MPa，通过粉刷在底板基材上进行分层填粉，每层填粉厚度为0.02-0.1mm，打印时激光功率：350-400W，激光加工扫描速度：1000-1200mm/s，激光光斑直径：0.04-4mm，加工完采用吸粉管回收水冷套表面混合粉后，取出底板基材；
S4：脱模：将加工好的水冷套及底板基材通过线切割分离，得到水冷套毛坯件；
S5：机加工：通过机加工对水冷套进行粗加工和精加工，机加工完成后得到机加工件；
S6：热处理：将机加工件放置在真空炉中加热至400-450℃，保持2-2.5h时效处理，时效处理完成后取出在冷却液中进行表面淬火，淬火后在自然温度下时效处理至水冷套毛坯件温度降至室温；
S7：表面喷砂：对经过热处理的加工件进行表面喷砂处理，喷砂完成进行表面打磨，打磨完成后进行成品包装。
进一步地，所述步骤S7中喷砂压力为0.3MPa，喷砂高度为15-20cm，喷砂完成后采用80℃氩气枪吹干表面。
进一步地，S5中机加工后工艺要求表面粗糙度Ra0.8。
进一步地，所述线切割峰值电流为15A，脉间200us，脉宽30us，进给速度100mm2/min，走丝速度为10m/s,空载电压80V。
进一步地，所述步骤S7中喷砂采用200目的钢砂。
进一步地所述S2中的电磁搅拌时的转速为800r/min，搅拌容积为10L，搅拌温度40℃，搅拌时长30-45min。
进一步地，所述S1中烘干时烘干温度为140-150℃，保温4-5h，在35℃下出炉。
进一步地，所述S1中的酸性溶液由浓度为1.5mol/L硫酸溶液和1.6mol/L硫酸铜溶液按体积比1:2配制而成。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过电解粗铜对粗铜进行提纯后得到精铜粉，再将精铜粉与银粉和铬粉进行混合，制成混合粉后采用3D打印技术进行打印水冷套，所得到的水冷套导热率系数达到410Wm-1K-1，并且还具有高强度、高硬度的铜铬合金特点，不易产生形变和氧化，使用寿命长。
（2）本工艺采用铺粉式3D打印技术，能够加工各种复杂水冷套结构，与传统工艺方法相比，本工艺方法步骤简单，产品性能稳定，产量高。
具体实施方式
实施例1：
一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，包括以下步骤：
S1：铜粉的制备：粗铜作为阳极，精铜作为阴极，放入酸性溶液中，酸性溶液由浓度为1.5mol/L硫酸溶液和1.6mol/L硫酸铜溶液按体积比1:2配置而成，电解时电流密度1000A/m2，阴极板一侧设有转动刷，转动刷采用伺服电机驱动，每30秒刷一次，每次刷子转动两周，阴极板采用伺服电机进行转动，每30秒转动半周，阴极板转动动作提前转动刷转动动作10秒，阴极板和转动刷转动角速度为0.5r/m，阴极板与阳极板之间的间距为20cm，电解液温度保持在60℃，将转动刷刷下的铜粉经过100目标准筛过滤，然后放入烘干机内进行烘干，烘干时通入氩气作为保护气体，烘干时烘干温度150℃，保温5h，在35℃下出炉；
S2：配料：将烘干后的电解铜粉与气雾化银粉和气雾化铬粉混合，其中电解铜粉质量百分比为98wt%，气雾化银粉的百分比为0.9wt%，气雾化铬粉百分比为1.1wt%，将混合后的混合粉加入到电磁搅拌装置中进行搅拌混合，电磁搅拌时的转速为800r/min，搅拌容积为10L，搅拌温度40℃，搅拌时长45min，搅拌时加入氩气作为保护气体，搅拌装置内进行抽真空，真空度为6Pa，混合后得到混合粉；
S3：打印：将绘制好的3D模型图导入到3D打印机中，放置好底板基材后，进行抽真空，真空度5Pa，然后通入氩气作为保护气体，氩气通入后真空度达到0.9MPa，通过粉刷在底板基材上进行分层填粉，每层填粉厚度为0.1mm，打印时激光功率：400W，激光加工扫描速度：1200mm/s，激光光斑直径：4mm，加工完采用吸粉管回收水冷套表面混合粉后，取出底板基材；
S4：脱模：将加工好的水冷套及底板基材通过线切割分离，线切割峰值电流为15A，脉间200us，脉宽30us，进给速度100mm2/min，走丝速度为10m/s,空载电压80V，得到水冷套毛坯件；
S5：机加工：通过机加工对水冷套进行粗加工和精加工，机加工后工艺要求表面粗糙度Ra0.8，机加工完成后得到机加工件；
S6：热处理：将机加工件放置在真空炉中加热至450℃，保持2.5h时效处理，时效处理完成后取出在冷却液中进行表面淬火，淬火后在自然温度下时效处理至水冷套毛坯件温度降至室温；
S7：表面喷砂：对经过热处理的加工件进行表面喷砂处理，喷砂压力为0.3MPa，喷砂高度为20cm，喷砂采用200目的钢砂，喷砂完成后采用80℃氩气枪吹干表面，喷砂完成进行表面打磨，打磨完成后进行成品包装。
实施例2：
一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，其包括以下步骤：
S1：铜粉的制备：粗铜作为阳极，精铜作为阴极，放入酸性溶液中，酸性溶液由浓度为1.5mol/L硫酸溶液和1.6mol/L硫酸铜溶液按体积比1:2配置而成，电解时电流密度900A/m2，阴极板一侧设有转动刷，转动刷采用伺服电机驱动，每30秒刷一次，每次刷子转动两周，阴极板采用伺服电机进行转动，每30秒转动半周，阴极板转动动作提前转动刷转动动作10秒，阴极板和转动刷转动角速度为0.5r/m，阴极板与阳极板之间的间距为15cm，电解液温度保持在55℃，将转动刷刷下的铜粉经过100目标准筛过滤，然后放入烘干机内进行烘干，烘干时通入氩气作为保护气体，烘干时烘干温度140℃，保温4h，在35℃下出炉；
S2：配料：将烘干后的电解铜粉与气雾化银粉和气雾化铬粉混合，其中电解铜粉质量百分比为98wt%，气雾化银粉的百分比为0.9wt%，气雾化铬粉百分比为1.1wt%，将混合后的混合粉加入到电磁搅拌装置中进行搅拌混合，电磁搅拌时的转速为800r/min，搅拌容积为10L，搅拌温度40℃，搅拌时长30min，搅拌时加入氩气作为保护气体，搅拌装置内进行抽真空，真空度为1Pa，混合后得到混合粉；
S3：打印:将绘制好的3D模型图导入到3D打印机中，放置好底板基材后，进行抽真空，真空度1Pa，然后通入氩气作为保护气体，氩气通入后真空度达到0.9MPa，通过粉刷在底板基材上进行分层填粉，每层填粉厚度为0.02mm，打印时激光功率：350W，激光加工扫描速度：1000mm/s，激光光斑直径：0.04mm，加工完采用吸粉管回收水冷套表面混合粉后，取出底板基材；
S4：脱模：将加工好的水冷套及底板基材通过线切割分离，线切割峰值电流为15A，脉间200us，脉宽30us，进给速度100mm2/min，走丝速度为10m/s,空载电压80V，得到水冷套毛坯件；
S5：机加工：通过机加工对水冷套进行粗加工和精加工，机加工后工艺要求表面粗糙度Ra0.8，机加工完成后得到机加工件；
S6：热处理：将机加工件放置在真空炉中加热至400℃，保持2h时效处理，时效处理完成后取出在冷却液中进行表面淬火，淬火后在自然温度下时效处理至水冷套毛坯件温度降至室温；
S7：表面喷砂：对经过热处理的加工件进行表面喷砂处理，喷砂压力为0.3MPa，喷砂高度为15cm，喷砂采用200目的钢砂，喷砂完成后采用80℃氩气枪吹干表面，喷砂完成进行表面打磨，打磨完成后进行成品包装。
实施例3：
一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，其包括以下步骤：
S1：铜粉的制备：粗铜作为阳极，精铜作为阴极，放入酸性溶液中，酸性溶液由浓度为1.5mol/L硫酸溶液和1.6mol/L硫酸铜溶液按体积比1:2配置而成，电解时电流密度950A/m2，阴极板一侧设有转动刷，转动刷采用伺服电机驱动，每30秒刷一次，每次刷子转动两周，阴极板采用伺服电机进行转动，每30秒转动半周，阴极板转动动作提前转动刷转动动作10秒，阴极板和转动刷转动角速度为0.5r/m，阴极板与阳极板之间的间距为18cm，电解液温度保持在58℃，将转动刷刷下的铜粉经过100目标准筛过滤，然后放入烘干机内进行烘干，烘干时通入氩气作为保护气体，烘干时烘干温度145℃，保温4.5h，在35℃下出炉；
S2：配料：将烘干后的电解铜粉与气雾化银粉和气雾化铬粉混合，其中电解铜粉质量百分比为98wt%，气雾化银粉的百分比为0.9wt%，气雾化铬粉百分比为1.1wt%，将混合后的混合粉加入到电磁搅拌装置中进行搅拌混合，电磁搅拌时的转速为800r/min，搅拌容积为10L，搅拌温度40℃，搅拌时长40min，搅拌时加入氩气作为保护气体，搅拌装置内进行抽真空，真空度为3Pa，混合后得到混合粉；
S3：打印:将绘制好的3D模型图导入到3D打印机中，放置好底板基材后，进行抽真空，真空度4Pa，然后通入氩气作为保护气体，氩气通入后真空度达到0.9MPa，通过粉刷在底板基材上进行分层填粉，每层填粉厚度为0.08mm，打印时激光功率：380W，激光加工扫描速度：1100mm/s，激光光斑直径：1mm，加工完采用吸粉管回收水冷套表面混合粉后，取出底板基材；
S4：脱模：将加工好的水冷套及底板基材通过线切割分离，线切割峰值电流为15A，脉间200us，脉宽30us，进给速度100mm2/min，走丝速度为10m/s,空载电压80V，得到水冷套毛坯件；
S5：机加工：通过机加工对水冷套进行粗加工和精加工，机加工后工艺要求表面粗糙度Ra0.8，机加工完成后得到机加工件；
S6：热处理：将机加工件放置在真空炉中加热至430℃，保持2.3h时效处理，时效处理完成后取出在冷却液中进行表面淬火，淬火后在自然温度下时效处理至水冷套毛坯件温度降至室温；
S7：表面喷砂：对经过热处理的加工件进行表面喷砂处理，喷砂压力为0.3MPa，喷砂高度为18cm，喷砂采用200目的钢砂，喷砂完成后采用80℃氩气枪吹干表面，喷砂完成进行表面打磨，打磨完成后进行成品包装。
实验例
1、利用实施例1-3的制备方法所制备得到的铜合金水冷套进行相关性能参数实验，测试方法如下：
根据GB/T 17737.308-2018《金属的抗拉强度和延伸率试验》标准在拉力试验机上测试新型耐热铜合金的抗拉强度及延伸率；
根据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》标准在金属屈服强度试验机上测试新型耐热铜合金的屈服强度；
根据GB/ T231. 1 —2002 《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》标准用硬度计检测金属表面硬度；
根据GB/T3651-1983《金属高温导热系数测量方法》标准在导电率仪上进行导电率试验。
测试结果如表1所示：
表1 实施例1-3的铜合金成份及性能检测结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表1数据可知，不同元素成分配比对所制得的铜合金水冷套的抗拉强度和屈服强度的影响较大，其中，按实施例3的元素成分配比所得铜合金水冷套的抗拉强度、屈服强度最大；不同元素成分配比对打印纯铜水冷套的硬度有影响，其中银能增加合金的延伸率，而铬合金能够增加水冷套的抗拉强度、屈服强度，对比实施例1-3，可以看出实施例3的抗拉强度、屈服强度最大，以及硬度也是最大的，导电导热性能最优，综上所述实施例3的元素成分配比最优，3D打印纯铜水冷套性能最好。

Claims (1)

1.一种铺粉式3D打印铜合金水冷套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：铜粉的制备：粗铜作为阳极，精铜作为阴极，放入酸性溶液中，电解时电流密度为900-1000A/m2，阴极板一侧设有转动刷，转动刷采用伺服电机驱动，每30秒刷一次，每次刷子转动两周，阴极板采用伺服电机进行转动，每30秒转动半周，阴极板转动动作提前转动刷转动动作10秒，阴极板和转动刷转动角速度为0.5r/min，阴极板与阳极板之间的间距为15-20cm，电解液温度保持在55-60℃，将转动刷刷下的铜粉经过100目标准筛过滤，然后放入烘干机内进行烘干，烘干温度为140-150℃，保温4-5h，在35℃下出炉，烘干时通入氩气作为保护气体；
S2：配料：将烘干后的电解铜粉与气雾化银粉和气雾化铬粉混合，其中电解铜粉质量百分比为98wt%，气雾化银粉的百分比为0.9wt%，气雾化铬粉百分比为1.1wt%，将混合后的混合粉加入到电磁搅拌装置中进行搅拌混合，电磁搅拌时的转速为800r/min，搅拌容积为10L，搅拌温度40℃，搅拌时加入氩气作为保护气体，搅拌装置内进行抽真空，真空度为1-6Pa，混合后得到混合粉；
S3：打印：将绘制好的3D模型图导入到3D打印机中，放置好底板基材后，进行抽真空，真空度1-5Pa，然后通入氩气作为保护气体，氩气通入后真空度达到0.9MPa，通过粉刷在底板基材上进行分层填粉，每层填粉厚度为0.02-0.1mm，打印时激光功率：350-400W，激光加工扫描速度：1000-1200mm/s，激光光斑直径：0.04-4mm，加工完采用吸粉管回收水冷套表面混合粉后，取出底板基材；
S4：脱模：将加工好的水冷套及底板基材通过线切割分离，所述线切割峰值电流为15A，脉间200 μ s ，脉宽30 μ s ，进给速度100mm2/min，走丝速度为10m/s，空载电压80V，得到水冷套毛坯件；
S5：机加工：通过机加工对水冷套进行粗加工和精加工，机加工后工艺要求表面粗糙度Ra0.8，机加工完成后得到机加工件；
S6：热处理：将机加工件放置在真空炉中加热至400-450℃，保持2-2.5h时效处理，时效处理完成后取出，在冷却液中进行表面淬火，淬火后在自然温度下时效处理至水冷套毛坯件温度降至室温；
S7：表面喷砂：对经过热处理的加工件进行表面喷砂处理，喷砂压力为0.3MPa，喷砂高度为15-20cm，喷砂完成后采用80℃氩气枪吹干表面，喷砂采用200目的钢砂，喷砂完成进行表面打磨，打磨完成后进行成品包装。
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